科普之窗

远古海洋动物“讲述”神经元起源的故事

——人类脑细胞成分约8亿年前在浅海中形成

冯杰

2024-01-25 07:12

本报记者 张梦然
科技日报

扁形动物只有差不多一粒沙那么大,以一些浅海岩石表面的藻类和微生物为食。它简单到没有任何身体部位或器官。

然而,西班牙巴塞罗那基因组调控中心研究人员在最新一期《细胞》杂志上发表论文称,在这些独特而古老的海洋生物中发现的特殊分泌细胞,产生了人类等复杂动物大脑中的神经元。

扁形动物在大约8亿年前首次出现在地球上,是5大动物谱系之一,与栉水母、海绵、刺胞动物和双侧对称动物并列。研究人员采用了一系列分子技术和计算模型,了解到扁平动物细胞是如何进化的,并将人类古代祖先的外观与功能“拼”在了一起。

重建古代细胞

研究人员首先绘制了所有不同扁平动物细胞的图谱,注释了它们在4个不同物种中的特征。每种细胞都有来自基因组的特殊作用。这些图谱允许研究人员绘制基因的簇或“模块”。随后,他们创建了DNA中控制这些基因模块的调控区域图谱,以揭示每个细胞的作用以及它们如何协同工作的清晰画面。最终,他们进行了跨物种比较,重建了细胞进化。

研究表明,扁形动物中主要的9种细胞类型似乎由许多“中间”细胞连接,这些细胞从一种类型变为另一种类型。细胞生长和分裂,维持动物移动和进食所需的细胞的微妙平衡。研究人员还发现了14种不同类型的肽能细胞,但这些细胞与所有其他细胞不同,没有显示出中间类型或任何生长分裂的迹象。

令人惊讶的是,肽能细胞与神经元有许多相似之处。这种细胞类型直到数百万年后才出现在更先进的动物中,如双侧对称动物。

跨物种分析显示,这些相似性是扁平动物独有的,完全没有出现在海绵或栉水母等其它早期分支动物中。

发现“进化的台阶”

肽能细胞和神经元之间的相似之处是三重的。首先,这些扁平动物细胞通过类似于神经发生的发育信号从祖上皮细胞群中分化,神经发生是刺胞动物和双侧新神经元形成的过程。

其次,肽能细胞有许多基因模块是构建神经元部分所需要的,该部分可发出信息(突触前支架)。然而,这些细胞远非真正的神经元,因为它们缺乏神经元信息接收端(突触后)的组件或传导电信号所需的组件。

最后,通过深度学习技术可以发现,扁平动物细胞能使用特定系统实现通信,其中称为G蛋白偶联受体的蛋白质,会检测外部信号并在细胞内启动一系列反应。这些外部信号由神经肽介导,神经肽是神经元在许多不同生理过程中使用的化学信使。

这令所有研究人员感到震惊,扁形动物肽能细胞与原始神经元细胞居然有如此多相似之处,它就像是一级“进化的台阶”。

神经元诞生的黎明

8亿年前,在古代地球浅海里不显眼的食草动物中,形成了神经元的构建块。这是故事的开篇。

至于故事的框架,从进化的角度来看,早期的神经元始于类似今天扁平动物的肽能分泌细胞。这些细胞使用神经肽进行交流,但最终获得了新的基因模块,使细胞能够创建突触后支架,形成轴突和树突,并创建产生快速电信号的离子通道。这些过程,如同神经元诞生的黎明。

然而,这篇神经系统的完整进化故事仍有待丰富。譬如,神经元进化轨迹的细节问题:扁形动物缺乏神经元,但研究人员在其中发现了与人类神经细胞惊人的分子相似性;而栉水母有神经网络,与人类自己的神经网络却有关键的区别。那么,神经元是进化一次然后分化,还是并行进化不止一次?它们像马赛克吗,每块都有不同的起源?这些都是有待解决的问题。

研究人员认为,随着世界各地继续对来自不同物种的高质量基因组进行测序,神经元的起源和其他细胞类型的进化将变得越来越清晰。

细胞是生命的基本单位,了解它们如何随着时间的推移而形成或变化,是解释生命进化故事的关键。扁形动物、栉水母、海绵和其它非传统模式动物隐藏着巨大的秘密,人类现在才刚刚开始挖掘。


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2024-01-25 03:13
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